高瓦斯礦井綜放工作面綜合抽采優(yōu)化研究

侯程宇

(呂梁市煤礦通風(fēng)與瓦斯防治中心，山西 033000)

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

某礦礦井絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量分別為280.04m3/min和20.66m3/min，屬于高瓦斯礦井。主采3號煤層平均厚度6.31m，直接頂為泥巖，基本頂為細(xì)砂巖，層厚10.21～11.34m。工作面采用綜采放頂煤工藝，采用并列雙“U”型通風(fēng)，工作面面長280m，工作面采放比1:1.03。

2 采動(dòng)卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

采用UDEC軟件建立厚煤層開采采場模型，模型尺寸長×高=300×100m，運(yùn)算得到如圖1所示采場覆巖運(yùn)移特征。

圖1 采場覆巖運(yùn)移特征

對圖1分析，隨工作面回采，頂板先后出現(xiàn)初次和周期垮落。當(dāng)推進(jìn)120m時(shí)，采空區(qū)頂板巖層充分垮落，最大位移達(dá)到4.5m，模型頂部巖層出現(xiàn)明顯彎曲下沉；從煤層頂板往上可以劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，頂板巖層發(fā)生破斷垮落，完整性被破壞，裂隙顯著發(fā)育。

對圖2分析，回采初期直接頂出現(xiàn)垮落下沉，裂隙大量發(fā)育、裂隙度迅速增大；繼續(xù)推進(jìn)，后方采空區(qū)垮落巖層逐漸被壓實(shí)，裂隙閉合，而采動(dòng)影響向高位巖層擴(kuò)展，使得整體裂隙度降低；工作面推進(jìn)120m時(shí)，工作面經(jīng)過多個(gè)初次和周期來壓，采場充分垮落，裂隙發(fā)展至最高巖層，在工作面上方和開切眼形成裂隙高度發(fā)育區(qū)。

圖2 隨推進(jìn)裂隙發(fā)育變化

15號煤層回采時(shí)，在煤層頂?shù)装逯袑l(fā)生不同程度的破壞和變形，工作面上部覆巖依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，工作面下部依次形成底板底鼓裂隙帶和底板底鼓變形帶，距離開采層越近裂隙發(fā)育越充分，解析出的瓦斯量越大。圖3為垂直工作面方向頂板分帶與瓦斯分布圖。

圖3 頂板分帶與瓦斯分布圖

(1)底鼓變形帶H1：帶內(nèi)裂隙以沿層理形成的順層張裂隙為主，處于該帶的鄰近煤層發(fā)生膨脹變形，吸附瓦斯解吸的裂隙內(nèi)，裂隙隨層間距加大逐漸減少。

(2)底鼓裂隙帶H2：穿層裂隙將該帶內(nèi)的煤層與采空區(qū)導(dǎo)通，煤層卸壓解析瓦斯可沿穿層裂隙進(jìn)入15號煤層采空區(qū)，瓦斯涌入采空區(qū)的阻力隨深度的增加逐漸加大。

(3)冒落帶H3：由直接頂冒落形成，與采空區(qū)的漏風(fēng)帶直接相通，難以采用鉆孔抽采冒落帶瓦斯。

(4)裂隙帶H4：是抽采采空區(qū)上頂板瓦斯富集區(qū)域的最佳位置，而小裂隙帶的抽采效果要好于大裂隙帶，鉆孔位置處于裂隙帶中部時(shí)的抽采效果最好，層位為H=H3+1/2H4。

(5)彎曲下沉帶H5：由于彎曲下沉帶距離開采煤層的距離較遠(yuǎn)卸壓程度較低，巖層間穿層裂隙較少，沿層裂隙發(fā)育，故沿穿層裂隙到達(dá)此區(qū)域的瓦斯較少，瓦斯抽采率較低。

圖4 工作面瓦斯流場

3 工作面瓦斯高效抽采設(shè)計(jì)

根據(jù)采動(dòng)覆巖運(yùn)移和瓦斯積聚規(guī)律，提出煤層抽采的技術(shù)路徑：首先，增大瓦斯抽采管路的長度，保證覆蓋裂隙帶，增大抽采鉆孔覆蓋的長度和高度(圖4)，滿足抽采的空間條件。由此，優(yōu)化抽采鉆孔布置角度、長度，滿足不同瓦斯積聚位置對抽采的要求，增大抽采覆蓋范圍。

其次，抽采匹配回采礦壓顯現(xiàn)和巖層垮落運(yùn)移規(guī)律，充分利用“卸壓增滲”機(jī)理，在瓦斯積聚區(qū)域和積聚過程中積極布置、強(qiáng)化抽采活動(dòng)。在回采卸壓區(qū)和低應(yīng)力區(qū)布置鉆孔，充分抽采瓦斯。

3.1 本煤層抽采設(shè)計(jì)

在距切眼20m處開始布置抽采鉆孔，分別由回風(fēng)順槽和膠帶順槽向工作面鉆取，見圖5。鉆孔間距2.5m，鉆孔長度160m，方位角85°和90°，孔徑113mm，抽采負(fù)壓29～31kPa。

圖5 本煤層鉆孔布置

3.2 裂隙帶抽采鉆孔布置

可知開采覆巖中裂隙帶、冒落帶高度分別為41.4～60.2m和25.3m，考慮鉆孔位置處于裂隙帶中部時(shí)的抽采效果最好，確定鉆孔布置在煤層頂板上方45～55m范圍，見圖6。

圖6 裂隙帶鉆孔布置

鉆孔間距0.5m，鉆孔投影長度為94～116m，抽采負(fù)壓12～23kPa。使用聚胺脂封孔，封孔深度為8～10m，每10個(gè)鉆孔為1組，每組鉆孔使用φ75mm的PE管、φ75mm鎧裝管(或高壓管)等聯(lián)入工作面抽放系統(tǒng)，每組安設(shè)一孔板計(jì)量裝置、集氣裝置和1個(gè)氣門。

4 工作面瓦斯抽采實(shí)測效果分析

2017年10月4日至2017年11月28日期間，3101工作面進(jìn)行了瓦斯抽采的工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)測得到如圖7所示瓦斯變化。

圖7 瓦斯抽采效果實(shí)測

對距切眼約200m處的18號鉆場瓦斯抽采情況監(jiān)測，得到如圖7所示瓦斯抽采效果。抽采瓦斯純量呈增大-減小-增大變化，瓦斯?jié)舛葎t逐漸增加。總計(jì)38天的有效抽采時(shí)間內(nèi)抽采瓦斯總量達(dá)到1.51×105m3，抽采瓦斯純量最大為6.15m3/min，抽采瓦斯?jié)舛茸畲鬄?9.9%，平均值分別為2.42m3/min、22.8%。